為電網(wǎng)提供有功和無功電流支持的并網(wǎng)逆變器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及電力系統(tǒng)的并網(wǎng)逆變器技術(shù)，具體涉及一種為電網(wǎng)提供有功和無功電流支持的并網(wǎng)逆變器。
【背景技術(shù)】
[0002]并網(wǎng)逆變器主要用于將能源設(shè)備產(chǎn)生的直流電轉(zhuǎn)變成電網(wǎng)所需的交流電。按照能源設(shè)備的不同，并網(wǎng)逆變器一般可分為光伏發(fā)電并網(wǎng)逆變器、風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)逆變器、動力設(shè)備發(fā)電并網(wǎng)逆變器等等。
[0003]在現(xiàn)有技術(shù)中，單級并網(wǎng)逆變器包括單級單一變壓并網(wǎng)逆變器、單級可升降壓并網(wǎng)逆變器。其中，單級單一變壓并網(wǎng)逆變器可分為電壓源型并網(wǎng)逆變器和電流源型并網(wǎng)逆變器。圖1示出了一種電壓源型并網(wǎng)逆變器的電路拓撲，其可實現(xiàn)降壓逆變，即輸出的交流電壓的峰值小于輸入的直流電壓值。圖2示出了一種電流源型并網(wǎng)逆變器的電路拓撲，其可實現(xiàn)升壓逆變，即輸出的交流電壓的峰值大于輸入的直流電壓值。在實際應(yīng)用中，將可再生能源作為直流電源進行并網(wǎng)發(fā)電過程中，其輸入的直流電壓可能在一個較大范圍內(nèi)變動。比如，在不同溫度情況下，同一光伏電池組產(chǎn)生的直流電壓可能在300V-700V范圍內(nèi)變動。因此，傳統(tǒng)的單級單一變壓并網(wǎng)逆變器的應(yīng)用受到了很大限制。
[0004]單級可升降壓并網(wǎng)逆變器包括兩種典型電路拓撲，Z源并網(wǎng)逆變器(Z-source并網(wǎng)逆變器)和自然軟開關(guān)并網(wǎng)逆變器。圖3示出了Z源并網(wǎng)逆變器的電路拓撲，其能通過一級電路實現(xiàn)升壓或降壓逆變，減少了功率器件的數(shù)量。圖4示出了自然軟開關(guān)并網(wǎng)逆變器的電路拓撲。當(dāng)圖4中的功率開關(guān)S5閉合時，其等效于一個直流輸入側(cè)為LC濾波電路、交流輸出側(cè)為LCL濾波電路的電壓源型并網(wǎng)逆變器。當(dāng)圖4中的功率開關(guān)S5斷開時，其等效于一個交流輸出側(cè)為LCL濾波電路的電流源型并網(wǎng)逆變器。Z-source逆變器改變了等效直流輸入電源的性質(zhì)，使其既具備電壓源又具備電流源特性。自然軟開關(guān)逆變器在不同工作需求階段，其直流輸入電源呈現(xiàn)電壓源或電流源特性。目前，其他單級可升降壓并網(wǎng)逆變器的原理與這兩類并網(wǎng)逆變器類似。但是，與傳統(tǒng)電壓源型并網(wǎng)逆變器相比，這兩類并網(wǎng)逆變器都有一個缺點，即由于其功率回路中額外串接了一個、兩個甚至多個平波電感，增加了額外的功率損失。
[0005]在現(xiàn)有技術(shù)中，傳統(tǒng)的兩級并網(wǎng)逆變器由Boost(升壓)DC_DC(直流-直流)電路和逆變電路構(gòu)成，并且在其兩級電路中的功率開關(guān)均以高頻工作，開關(guān)損耗很大。在現(xiàn)有技術(shù)中，還包括一種兩級時分式復(fù)合并網(wǎng)逆變器，如圖5所示。在兩級時分式復(fù)合并網(wǎng)逆變器中，當(dāng)直流輸入電壓低于電網(wǎng)電壓時，此時并網(wǎng)逆變器可等效為工作在Boost(升壓)模式下的電流源逆變器；當(dāng)直流輸入電壓高于電網(wǎng)電壓時，此時并網(wǎng)逆變器可等效為工作在Buck(降壓)模式下的電壓源逆變器。其中，圖6和圖7分別給出了兩級時分式復(fù)合并網(wǎng)逆變器工作在Boost模式和Buck模式下的狀態(tài)示意圖。兩級時分式復(fù)合并網(wǎng)逆變器降低了開關(guān)損耗，但是在以Boost模式高頻工作期間，輸出濾波器等效為CL-CL濾波器，雖然濾波效果得到加強，但同時也帶來了功率損耗加大與控制難度加大的問題。
[0006]針對現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，在對變化范圍較大的直流輸入電壓進行220V/380V低壓并網(wǎng)時，亟需一種既能降低各種功率損耗，如開關(guān)損耗、輸電線路損耗，提高效率的并網(wǎng)逆變器。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明提供了一種為電網(wǎng)提供有功和無功電流支持的并網(wǎng)逆變器，不僅具有電感壓降小、導(dǎo)通損耗小、開關(guān)損耗小、高頻下高效率的優(yōu)點，而且還可以為電網(wǎng)提供感性無功電流或者容性無功電流支持，進一步提高了并網(wǎng)逆變器的性能。
[0008]本發(fā)明的為電網(wǎng)提供有功和無功電流支持的并網(wǎng)逆變器包括:第一逆變電路、第二逆變電路、濾波電容和控制電路；
[0009]第一逆變電路包括第一直流電源、第一功率開關(guān)、第一電感、第二功率開關(guān)、第三功率開關(guān)、第一二極管和第三二極管;第一直流電源的正極連接到第一功率開關(guān)的一端，第一功率開關(guān)的另一端連接到第一電感的一端;第一電感的另一端連接到第三二極管的陽極端;第三二極管的陰極端連接到第三功率開關(guān)的一端;第三功率開關(guān)的另一端作為輸出端連接到濾波電容的一端;第一直流電源的負極接濾波電容的另一端;在第一直流電源的負極和第一功率開關(guān)的另一端之間并聯(lián)第一二極管，第一二極管的陽極端接濾波電容的另一端;在濾波電容的另一端和第三二極管的陽極端之間連接有第二功率開關(guān)。
[0010]第二逆變電路包括第二直流電源、第四功率開關(guān)、第二電感、第五功率開關(guān)、第六功率開關(guān)、第二二極管和第六二極管;第二直流電源的負極連接到第二功率開關(guān)的一端，第二功率開關(guān)的另一端連接到第二電感的一端；第二電感的另一端連接到第六極管的負向端;第六二極管的陽極端連接到第六功率開關(guān)的一端;第六功率開關(guān)的另一端作為輸出端連接到濾波電容的一端;第二直流電源的正極接濾波電容的另一端;在第二直流電源的正極和第四功率開關(guān)的另一端之間并聯(lián)第二二極管，第二二極管的陰極端接濾波電容的另一端;在濾波電容的另一端和第六二極管的陰極端之間連接有第五功率開關(guān)。
[0011]第一逆變電路的第一電感和第二逆變電路的第二電感耦合連接在一起，并且第一電感和第二電感的同名端位于同一側(cè)。
[0012]所述濾波電容用于對第一逆變電路和第二逆變電路輸出的交流電濾波。
[0013]所述控制電路用于根據(jù)來自外部的工作模式信號以及來自電網(wǎng)的電網(wǎng)電壓信號和入網(wǎng)電流信號，向第一至第六功率開關(guān)的受控端發(fā)送控制第一至第六功率開關(guān)的開和關(guān)的信號;其中，所述工作模式信號包括感性無功信號、容性無功信號、有功工作信號和有功無功混合信號。
[0014]優(yōu)選的，第一至第六功率開關(guān)的每一個功率開關(guān)可以是N溝道耗盡型場效應(yīng)管，或者是由N溝道耗盡型場效應(yīng)管和二極管組合而成的復(fù)合管，并且二極管的陽極端連接到N溝道耗盡型場效應(yīng)管的源極，二極管的陰極端連接到N溝道耗盡型場效應(yīng)管的漏極，N溝道場效應(yīng)管的柵極作為功率開關(guān)的受控端。
[0015]第一功率開關(guān)的N溝道耗盡型場效應(yīng)管的漏極連接到第一直流電源的正極，源極連接到第一電感的一端;第二功率開關(guān)的N溝道耗盡型場效應(yīng)管的漏極連接到第三二極管的陽極端，源極連接到濾波電容的另一端;第三功率開關(guān)的N溝道耗盡型場效應(yīng)管的漏極連接到第三二極管的陰極端，源極作為輸出端;第四功率開關(guān)的N溝道耗盡型場效應(yīng)管的源極連接到第二直流電源的負極，漏極連接到第二電感的一端;第五功率開關(guān)的N溝道耗盡型場效應(yīng)管的漏極連接到濾波電容的另一端，源極連接到第六二極管的陰極端;第六功率開關(guān)的N溝道耗盡型場效應(yīng)管的源極連接到第六二極管的陽極端，漏極作為輸出端。
[0016]優(yōu)選的，所述并網(wǎng)逆變器還包括第三電感。第三電感的一端與濾波電容的一端相連，第三電感的另一端與電網(wǎng)的一端相連，并且電網(wǎng)的另一端與濾波電容的另一端相連。
[0017]優(yōu)選的，當(dāng)接收的工作模式信號為感性無功信號或者容性無功信號，或者，有功和感性無功混合信號，或者，有功和容性無功混合信號時，所述控制電路根據(jù)來自第一直流電源與第二直流電源的電壓信號、電網(wǎng)的電壓信號和入網(wǎng)電流信號，向第一至第六功率開關(guān)的受控端發(fā)送控制第一至第六功率開關(guān)的開和關(guān)的信號包括:
[0018]在電網(wǎng)電壓大于等于0、并且入網(wǎng)電流小于O的時間區(qū)間內(nèi)，控制電路向第三功率開關(guān)的受控端發(fā)送斷開信號以關(guān)斷第三功率開關(guān)，向第六功率開關(guān)的受控端發(fā)送PWM信號使得第六功率開關(guān)按照PWM方式工作，對第二電感充放電，包括:閉合第六功率開關(guān)，對第二電感充電；當(dāng)入網(wǎng)電流達到第一預(yù)定值時，關(guān)斷第六功率開關(guān)，使第二電感的能量以耦合方式通過第一電感、第一功率開關(guān)的二極管以及第二功率開關(guān)的二極管回注到第一直流電源；
[0019]在入網(wǎng)電流大于等于O并且電網(wǎng)電壓大于等于O的時間區(qū)間內(nèi)，控制電路向第一至第三功率開關(guān)的受控端發(fā)送控制信號，向第四至第六功率開關(guān)的受控端發(fā)送斷開信號，使得第一直流電源的能量按要求注入到電網(wǎng)；
[0020]在入網(wǎng)電流大于等于O并且電網(wǎng)電壓小于O的時間區(qū)間內(nèi)，控制電路向第六功率開關(guān)的受控端發(fā)送斷開信號以關(guān)斷第六功率開關(guān)，向第三功率開關(guān)的受控端發(fā)送PWM信號使得第三功率開關(guān)按照PWM方式工作，對第一電感充放電，包括:打開第三功率開關(guān)，對第一電感充電；當(dāng)入網(wǎng)電流達到第二預(yù)定值時，關(guān)斷第三功率開關(guān)，使第一電感的能量以耦合方式通過第二電感、第四功率開關(guān)的二極管以及第五功率開關(guān)的二極管回注到第二直流電源；
[0021]在入網(wǎng)電流小于O并且電網(wǎng)電壓小于O的時間區(qū)間內(nèi)，控制電路向第四至第六功率開關(guān)的受控端發(fā)送控制信號，向第一至第三功率開關(guān)的受控端發(fā)送斷開信號，使得第二直流電源的能量按要求注入到電網(wǎng)。
[0022]優(yōu)選的，當(dāng)接收的工作模式信號為有功信號時，所述控制電路根據(jù)來自第一直流電源與第二直流電源的電壓信號、電網(wǎng)的電網(wǎng)電壓信號和入網(wǎng)電流信號，向第一至第六功率開關(guān)的受控端發(fā)送控制第一至第六功率開關(guān)的開和關(guān)的信號包括:
[0023]如果確定第一直流電源的直流輸入電壓高于電網(wǎng)電壓的幅值，在電網(wǎng)電壓的正半周時控制電路使得第三功率開關(guān)的場效應(yīng)管常開，第一功率開關(guān)的場效應(yīng)管高頻工作，第二功率開關(guān)、第四至第六功率